Ewolucja interfejsów HMI

Od przycisków po PC, od tekstowych do graficznych, od CRT do LCD – wygląd i rola tego, co nazwano wizualizacją zmieniła się w ostatnich latach diametralnie. Ewolucja prostych układów automatyki do wyszukanych systemów sterowania i analizy danych jest niebywała, a to na pewno jeszcze nie koniec.
Na początku były przyciski, lampki i przełączniki. Elektryczne urządzenia zastąpiła elektronika. Narodziły się komputery osobiste i oprogramowanie, które przejęło wszelkie ekrany, oraz Internet, dzięki któremu informacje docierały wszędzie. Zastrzeżone systemy stały się otwarte, a na ekranie można było oglądać nie jedną, ale wiele maszyn z dowolnej lokalizacji na świecie.
Ewolucja jest faktem – przynajmniej w zakresie interfejsów człowiek-maszyna (HMI). To, co na początku było prostą funkcją zmieniło się i na przestrzeni zaledwie kilku dekad stało się prawdopodobnie jednym z najważniejszych czynników wpływających na środowisko wytwarzania. Dzięki eksplozji przepustowości i dostępności systemy HMI łączą miliony porcji danych, zauważa John Krajewski, dyrektor ds. zarządzania produktami HMI w Invensys: – W przeszłości HMI było izolowanym systemem odpowiedzialnym za podstawowe sterowanie maszyny. Dzisiejsza współpraca systemów uwalnia nowe możliwości w zakresie łączności i dostępu.
Przemysł od zawsze poszukiwał metod na monitorowanie i zrozumienie procesu oraz związanych z nim operacji. Jego podróż od urządzeń typu włącz/wyłącz do złożonych, wyszukanych systemów monitorowania oraz analizy była znakomita, ale i dramatyczna: przejście od przycisków do MMI (interfejs człowiek/mężczyzna-maszyna), do HMI i do wizualizacji wywarło i nadal wywiera ogromny wpływa na świat wytwarzania.
W dawnych czasach…
Zaczęło się od przycisków i lampek, pokręteł i przyrządów tablicowych oraz wskaźników, wspomina Louis Szabo, menedżer ds. rozwoju w Pepperl+Fuchs: – Nawet tak późno jak w 1990 r. wiele zakładów uznawało przyciski za znacznie tańsze rozwiązanie niż panele HMI.
Gdy jednak producenci mieli możliwość wymiany tych przycisków, kosztujących niejednokrotnie z montażem 100 USD za sztukę, na elektroniczny terminal: – Przyciski stały się ekstremalnie drogie, a terminale tak bardzo wydajne – mówi Marco H. Wishart, menedżer ds. elektronicznych interfejsów operatora w Rockwell Automation.
– Naprawdę widzieliśmy ewolucję – mówi Emmanuel Ecochard, główny menedżer rynku Ameryki Północnej PcVue. – Nie była to kwestia zmiany paradygmatu, ale ciągłych inkrementalnych ulepszeń. Podstawą mało elastycznych systemów sprzed 30 lat były setki kabli. Obecnie dostępne produkty pozwalają szybko stworzyć niemal każdą aplikację, którą łatwo się zarządza.
Wspomnień ciąg dalszy: – We wczesnych latach dominowały CRT (kineskopy z działem elektronowym), z ekranem monochromatycznym oraz prymitywne wyświetlacze tekstowe – dodaje Nathan Eisel, menedżer wsparcia technicznego w Beckhoff Automation. – Interakcja odbywała się przez mechaniczne przyciski, klawiaturę lub mysz.
– Terminale dla operatorów były początkowo dodatkiem do maszyn – wspomina Marcia Gabrois, wiceprezes ds. rozwoju biznesowego Indusoft.
– Zwiększały możliwości i zapewniały sterowanie, ale były dalekie od systemów przyjaznych użytkownikowi. Było to tekstowe środowisko, w którym trzeba było programować, aby uzyskać jakąkolwiek wizualizację.
Wtedy narodziły się PC i wywróciły świat HMI do góry nogami. Obiektem zainteresowania stało się oprogramowanie a nie sprzęt. Urządzenia stawały się systemami, a rola, jaką pełniły HMI rosła, rosła wykładniczo. – Pierwsze systemy HMI pracowały na dedykowanym sprzęcie danego producenta – mówi Louis Szabo. – Później modne stało się współdziałanie. Największa zmiana nadeszła w późnych latach dziewięćdziesiątych, gdy przedsiębiorstwa takie jak Wonderware i Intellution przedstawiły oprogramowanie do sterowania na platformę PC. Późne lata dziewięćdziesiąte to również czas nowych urządzeń (LCD zamiast CRT, iskrobezpieczne panele dotykowe), ale gdy mówi się teraz o HMI, mówi się zawsze o oprogramowaniu. W ten sposób zaczęła się prawdziwa zmiana.
Lata 90. to także narodziny i proliferacja otwartości systemów. Nieco później pojawiły się urządzenia typu cienki klient, najpierw w systemach biznesowych a następnie w przemyśle, gdy wytwarzanie zaczęło wykorzystywać technologię PLC i DCS, a sterownie migrowały do hal produkcyjnych. – Historycznie urządzenia HMI obserwowały maszynę i wyświetlały o niej informacje – mówi Scott A. Miller, menedżer biznesowy ds. oprogramowania do wizualizacji w Rockwell Automation – ale szybko zaczęły je prześwietlać, gromadząc dane potrzebne do wspomagania i podejmowania najlepszych decyzji oraz robiąc rzeczy, których nigdy do tej pory nie robiono.
Budowanie mostów, burzenie ścian
O ewolucji HMI decydowało wiele czynników: możliwości procesorów, Ethernet i Internet. Który miał największy wpływ i co wprowadzona przez niego zmiana oznaczała dla procesu wytwarzania? Jedni uważają, że było to umożliwienie ścisłego związku między HMI a procesami na hali produkcyjnej. Najnowocześniejsze systemy HMI gromadzą dane z wielu źródeł i docierają do wszystkich, nawet oddalonych lokalizacji. Operatorzy podejmują decyzje na podstawie większej ilości informacji.
Patrząc na sprzęt, przejście z tysięcy kabli na elektroniczne terminale było krokiem do uzyskania zaawansowanych możliwości. – Zmiany były inkrementalne, ale kluczowe – mówi Wishart z Rockwell
Automation. – Przenieśli nas z CRT do LCD i podświetlania LED, w tym przez różne proporcje ekranów. Gwałtowny rozwój procesorów jeszcze bardziej zwiększył możliwości urządzeń HMI.
Największy wyróżnik, który przychodzi na myśl Szabo z P+F to przewrót związany z połączeniem technologii Windows oraz Ethernet. – Obie technologie pomogły uzyskać HMI elastyczność, zapewniającą realizację różnych zadań w dowolnym miejscu. Dzięki łączności informacje są dostępne w czasie rzeczywistym.
Marcia Gadbois z InduSoft wskazuje łączność oraz otwartość systemów jako kluczowe elementy HMI, ale zaznacza, że nie można zapominać o zmianie interfejsu użytkownika: – Możliwości komunikacyjne zburzyły ściany. Przestaliśmy być wyspami automatyki, przenieśliśmy się do rozproszonego środowiska i zaangażowaliśmy ludzi do podejmowania ważnych dla procesu decyzji. Wykorzystanie HMI do podejmowania decyzji biznesowych bazujących na ogromnych ilościach danych i dostarczanie efektywnych kosztowo metod działania zmieniło sposób naszej pracy. Informacje były do tej pory wykorzystywane na potrzeby sterowania maszynami. Teraz operatorzy mają bezpośredni wpływ na cały proces, ponieważ systemy HMI pokazują kompletny obraz, nie tylko jedną maszynę.
Wszystkie te zmiany mają jeden wspólny efekt: przeniosły centrum podejmowania decyzji poza ściany fabryki. – Coraz więcej użytkowników końcowych pyta o możliwość zdalnego dostępu – mówi Ecochard z PcVue. – Mobilność i zdalny dostęp są niezwykle istotne, chociaż wzbudzają pewne wątpliwości. Im jesteś bardziej mobilny, tym bardziej podatny na ataki. Ponieważ aplikacje mobilne rozwijają się, trzeba wzmacniać bezpieczeństwo.
Scott Miller z Rockwell Automation oraz Mike Burrows, dyrektor rozwoju zintegrowanych architektur w Rockwell Automation są całkowicie zgodni. – Bezpieczeństwo jest ważną kwestią, tak jak przepustowość – mówi Burrows. – Ponieważ przemysł w coraz większym stopniu korzysta ze współpracujących technologii, takich jak wideo i komunikacja bezprzewodowa, warstwy bezpieczeństwa stają się niezbędne.
– Mobilne urządzenia zwiększają istniejące możliwości – dodaje Miller. – W wielu zakładach udostępnia się dane smartfonom, stawiając wyzwanie systemom bezpieczeństwa. Operator z mobilnym terminalem poruszający się gdzieś po hali ma sens, ale menedżer znajdujący się w centrum handlowym ze swoim smartfonem musi mieć pewność, że przez omyłkowe wciśnięcie przycisku nie zatrzyma linii produkcyjnej.
Czym zatem jest HMI?
Czy smartfon stał się HMI? Nawiązując do wypowiedzi Gadbois, w pewnym sensie tak: – Przekształcamy definicję i nazywamy HMI wizualizacją. Każdy interfejs to więcej niż HMI. To wizualizacja. Termin HMI może zniknąć – może zastąpi go wizualizacja, ale cel i funkcje pozostaną.
Terminologia zmienia się. W ciągu ostatnich 15 lat konwergencja technologii doprowadziła do powstania funkcji i możliwości, nazywanych przez wielu wizualizacją. – Już pewnie nie używamy terminu HMI – mówi Wishart. – To jest wizualizacja: sprzęt i oprogramowanie uruchomione na wielu urządzeniach. Niezależnie, czy jest to dedykowany serwer, serwer PC, smartfon lub inne urządzenie – do działania potrzebne są te same systemy, dane i poziom integracji. Rdzeniem jest wciąż HMI, ale ewoluuje i przyjmuje różne formy.
Miller z Rockwell Automation nazywa wizualizację punktem mieszania: – Jak będzie przebiegać to mieszanie, zależy od przemysłu, aplikacji i klienta. Obecne możliwości zwiększą się jeszcze bardziej. Najnowocześniejsze systemy wizualizacji będą uzyskiwać dostęp do danych i dostarczać właściwą treść do właściwej osoby. Niezależnie od tego, czy operator stoi przed maszyną rozlewającą przez cały dzień, codziennie, przemieszcza się po zakładzie lub między zakładami, wykorzystywane przez niego dane pochodzą z systemu sterowania i informacji. Im bardziej zmieszamy te systemy, tym więcej aplikacji możemy obsłużyć. Tą drogą podąża technologia HMI.
Definicja HMI znacznie się rozszerzyła. – Technologia może ewoluować do poziomu, w którym termin HMI przestanie mieć rację bytu – dodaje Krajewski z Invensys. – Aplikacje są zintegrowane. HMI rzadko jest jedynym mechanizmem wykorzystywanym przez operatora. HMI mógł wchodzić w inter-akcję z jednym fragmentem wyposażenia, ale teraz pod jego kontrolą znajduje się większy system. Chociaż operatorzy mają nadal swoje zadania, ich kolejnym wyzwaniem będzie zarządzanie czynnościami. Zarządzanie wszystkimi operacjami z poziomu pojedynczej konsoli to kwestia przyszłości.
Bezprecedensowa przeszłość, nieskrępowana przyszłość
HMI mają bogatą i zróżnicowaną przeszłość, ale przemysł spodziewa się jeszcze większego wzrostu. – Przebyliśmy długą drogę – mówi Gadbois z InduSoft. – Wydawało się nam, że zmiany były magiczne, ale wystarczy spojrzeć na to, co dzieje się teraz. Ewolucja jest niemal straszna.
Przemysł wykorzystuje dzisiaj szeroką gamę znakomitych, pełnobarwnych wyświetlaczy TFT LCD. – Technologia dotykowa nie jest już niczym wyjątkowym. Przystosowane do warunków przemysłowych panele sterujące i PC zrobione z aluminium lub stali są sparowane z wyszukaną grafiką HMI, tworząc wspólnie dynamiczny interfejs operatora. Panoramiczne ekrany są szeroko rozpowszechnione, rozdzielczość full HD jest dostępna u wielu dostawców HMI – zauważa Eisel z Beckhoff.
Nawiązując do słów Burowsa z Rockwell Automation, następną fazą ewolucji będzie uzależnienie interfejsu operatora od sterownika. – Są to wciąż oddzielne silniki, ale wkrótce sterowanie i interfejs operatora staną się jednym systemem, korzystającym z jednej bazy danych. Sterownik jest punktem początkowym wszystkich danych, które trafiają do HMI. Staje się więc serwerem zakładu. Wizualizacja jest lepsza, gdy pośrodku nie ma komputera – gdy jest wbudowana w środowisko sterownika.
Prawdopodobnie jedną z najbardziej istotnych zmian dotykających obecne systemy HMI jest technologia wielodotyku. – Systemy ze zintegrowanymi możliwościami wielodotyku są już dostępne – mówi Eisel z Bechoff. – Do wykrywania dotyku stosuje się technologię pojemnościową (PCT), aby mieć gwarancję poprawnej pracy w warunkach przemysłowych. Możliwajest np. praca w rękawiczkach. W dodatku znane ze smartfonów funkcje, takie jak powiększanie i przesuwanie ekranu oraz obiektów mogą być zastosowane w aplikacjach przemysłowych.
Burrows z Rockwell Automation zauważa potencjał tkwiący w urządzeniach takich jak Apple iPad. – Pokazują, co jest w tej chwili możliwe: komunikacja bezprzewodowa, mobilność, obliczenia w chmurze i integracja danych. Nie sugeruję wykorzystywania iPadów w przemyśle, są jednak doskonałym dowodem obecnych możliwości.
Kolejny cel w oczach Szabo z P+F to gwałtowny rozwój wirtualizacji, architektury klient-serwer dla HMI. – Właściwym modelem biznesowym z punktu widzenia produkcji jest dobrze dostępny serwer ze wsparciem IT oraz grupa cienkich klientów rozmieszczonych w całym zakładzie – mówi Szabo. – Do korzyści można zaliczyć optymalizację odświeżania sprzętu, niższe ryzyko aktualizacji i rozbudów, zwiększone bezpieczeństwo i niższe koszty przez cały cykl życia.
Być może źródłem największej zmiany będą ludzie, a nie sprzęt. – Menedżer, dokonujący cotygodniowych lub comiesięcznych przeglądów, trzyma rękę na pulsie i w pewien sposób decyduje o rentowności zakładu – mówi Krajewski z Invensys. – Ale to operator na swoim HMI widzi dane w czasie rzeczywistym. Nowoczesne HMI może doprowadzić do upadku obecnego procesu decyzyjnego, przenosząc go na poziom robotników – pracowników mających największy wpływ.
Jeanine Katzel, redaktor współpracujący z Control Engineering
Opracował Łukasz Urbański, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
CE